一、研究背景

创伤、疾病与先天畸形导致的骨缺损是骨科领域的重大临床挑战。自体骨、异体骨移植存在供区并发症、免疫排斥等固有局限；金属植入物不可降解，易引发应力遮挡与纤维包裹；生物活性玻璃虽可与骨结合，但脆性大、韧性不足，难以承受循环载荷。

无机-有机溶胶-凝胶杂化材料可在纳米尺度实现硅氧网络与聚合物网络的互穿与共价结合，兼具生物活性、可降解性与可调力学性能，是极具潜力的骨修复材料。早期天然聚合物基杂化材料存在偶联反应可控性差、批次重复性低的问题；合成聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基杂化材料力学优异但不可降解，无法实现长期骨整合替代。

引入可降解聚己内酯（PCL）链段是实现杂化材料降解的有效策略，但线性PCL改性体系力学性能偏低。通过可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合可精准调控分子结构，构建ABA型三嵌段共聚物，在提升整体分子量与力学性能的同时，将非降解段分子量控制在肾清除阈值（<10 kDa）以下，实现安全降解。

理想骨支架需具备>100 μm的连通孔隙以支持血管化骨长入。直接墨水书写（DIW）3D打印可精准调控孔隙结构与连通性，优于发泡、静电纺丝、冷冻干燥等传统方法。但PCL改性杂化墨水的打印窗口、凝胶行为与支架性能仍缺乏系统研究。

本研究通过开环聚合（ROP）与RAFT聚合联用，合成P(MMA-co-TMSPMA)-b-PCL-b-P(MMA-co-TMSPMA) ABA型三嵌段共聚物，制备硅基II类杂化材料，系统考察PCL链长对块体力学、降解行为与DIW打印适性的影响，优化3D打印工艺与支架结构，验证其生物相容性，为可降解骨修复支架提供新型材料与制备方案。

二、研究内容

2.1 ABA型三嵌段共聚物的合成

（1）双端羟基PCL二醇的制备

采用开环聚合法（ROP）合成不同分子量的PCL二醇：

• 单体：ε-己内酯（ε-CL）；引发剂：乙二醇；催化剂：辛酸亚锡Sn(Oct)₂；
• 反应条件：氩气保护，120℃油浴反应24 h；
• 后处理：甲醇终止反应，THF稀释，冷甲醇沉淀，真空干燥72 h；
• 制备2 kDa、5 kDa、10 kDa三种分子量PCL二醇，产率约94%。

（2）双官能大分子RAFT试剂的合成

通过Steglich酯化反应将PCL二醇两端修饰为RAFT官能团：

• 原料：HO-PCL-OH、4-氰基-4-(苯基硫代甲酰硫基)戊酸（CPAD）、DCC、DMAP；
• 溶剂：无水二氯甲烷；0℃下滴加DCC溶液，室温搅拌反应48 h；
• 后处理：过滤除去二环己基脲，冷甲醇沉淀，真空干燥72 h，得到CPAD-PCL-CPAD双官能大分子RAFT试剂，产率约90%。

（3）三嵌段共聚物的RAFT聚合

以双官能PCL为中心，通过RAFT聚合在两端增长P(MMA-co-TMSPMA)链段：

• 单体：甲基丙烯酸甲酯（MMA）、3-(三甲氧基硅基)丙基甲基丙烯酸酯（TMSPMA）；
• 引发剂：AIBN，[AIBN]:[CTA]=0.1:1；溶剂：无水甲苯；
• 反应条件：三次冷冻-泵抽-融循环脱气，70℃油浴反应，单体转化率约65%时淬灭；
• 后处理：冷正己烷沉淀，真空干燥，氩气下储存防止硅烷预交联；
• 产物：P(MMA-co-TMSPMA)-b-PCL-b-P(MMA-co-TMSPMA)三嵌段共聚物，非降解段分子量控制在肾清除范围内。

2.2 无机-有机杂化材料的制备

（1）配方设计

设置三组标称有机-无机质量比：90:10、80:20、70:30，考察组成对性能的影响。

（2）溶胶-凝胶制备工艺

1. 正硅酸乙酯（TEOS）用1 M HCl水解1 h，形成硅溶胶；
2. 三嵌段共聚物溶于THF（1 g/mL），滴加至硅溶胶中，搅拌10 min均匀混合；
3. 浇铸入PTFE模具，密封后40℃老化25天；前10天完全密封，之后逐步开盖缓慢干燥；
4. 完全干燥后得到块体杂化材料，用于理化与力学表征。

2.3 块体材料的理化与力学表征

（1）物相与化学结构

• FTIR：同时出现聚合物酯基、硅烷特征峰与Si-O-Si网络振动峰，证实两相共存与共价结合；PCL羰基峰位移，说明其从晶态转变为无定形态。
• XRD：20°~23°处宽无定形晕，无PCL结晶峰，证明两相互穿网络形成，材料整体呈无定形态。
• TGA：实际有机-无机比例与理论值偏差<10%；热降解起始温度约340℃，热稳定性良好。

（2）干态压缩力学性能

70 wt%标称有机含量体系力学性能最优：

• HP2（2 kDa PCL）：屈服强度29 MPa，屈服应变约6%；
• HP5（5 kDa PCL）：屈服强度最高，达58 MPa，屈服应变5%；
• HP10（10 kDa PCL）：屈服强度34 MPa，屈服应变约7%，韧性提升。

循环加载测试显示，所有样品无应力软化与滞后，卸载后恢复原形，弹性回复性能优异。

（3）湿态力学性能

PBS 37℃浸泡7天后测试：

• 高硅含量样品吸水后易产生内应力开裂，强度显著下降；
• HP5高硅样品屈服强度从58 MPa降至14 MPa，应变从5%降至4%，材料变脆；
• 机制：亲水硅相吸水产生内应力，与疏水有机相形成界面张力，高硅含量下更易开裂。

（4）降解行为

PBS 37℃浸泡3个月降解实验：

• 质量损失9%~23%，硅离子释放初期快速上升，60天后趋于平台；
• HP2降解最慢，HP5与HP10高硅样品降解较快；
• FTIR与NMR证实PCL为主要降解组分，硅网络同步发生溶蚀。

（5）体外生物相容性

采用人骨髓基质细胞（h-BMSCs），依据ISO 10993标准通过条件培养基法评价：

• 24 h暴露后，所有稀释组细胞活力均高于70%阈值，符合生物材料安全要求；
• HP5组细胞活力优于HP10组，未稀释组仍保持较高活性；
• 活死染色显示细胞形态正常，死细胞比例低，降解产物无急性细胞毒性。

2.4 DIW 3D打印多孔支架

（1）墨水配制与打印窗口

• 采用70:30有机/无机比例的杂化溶胶直接作为打印墨水，无需额外载体与粘结剂；
• 凝胶化进程随时间推进，存在可打印粘度窗口；以“拉丝点”为打印起始判据；
• 高分子量墨水凝胶过快、可控性差；降低分子量至12~17 kDa可显著提升打印适性；
• 分子量<18 kDa的墨水更易操作，打印窗口更宽。

（2）打印工艺参数

• 设备：Robocaster DIW打印机，Robocad路径控制软件；
• 喷嘴：200 μm内径锥形喷嘴（最小可用规格）；
• 参数：打印速度10 mm/s，挤出速率0.05 mL/min，层厚0.21 mm；
• 结构：正交网格支架，丝间距0.8~1.2 mm，共22层，边长约11 mm；
• 后处理：40℃密封老化3天，逐步开盖继续干燥7~10天。

工艺要点： 丝间距过小会导致相邻丝材融合、堵塞通道；过大则层间易坍塌；0.8~1.0 mm为最优区间，兼顾孔隙连通与结构稳定性。

（3）支架形貌与孔隙结构

• SEM显示丝材排列规整、表面呈褶皱状，水平与垂直截面均可见连通孔隙；
• micro-CT三维重构证实无层间塌陷，孔隙连通性好；
• 0.8 mm丝间距：平均孔径约255 μm，孔隙率约53%；
• 1.2 mm丝间距：平均孔径约424 μm，孔隙率约38%。





（4）支架力学性能

• 干态下，0.8 mm丝间距支架屈服强度约11 MPa，屈服应变约3%；
• 随丝间距增大，强度逐步降低，1.2 mm间距约1.9 MPa；
• 循环加载9次后曲线基本重合，滞后小，卸载后形状恢复；
• PBS浸泡2个月后，支架仍保持结构完整，应变略有下降，脆性增加。





三、研究结论

1. 分子设计精准可控：ROP与RAFT联用成功合成ABA型三嵌段共聚物，PCL为可降解中心段，两侧非降解P(MMA-co-TMSPMA)链段分子量可控在肾清除阈值以下，实现降解安全性与力学性能的平衡。

2. 块体力学性能优异：70%有机含量、5 kDa PCL基杂化材料抗压屈服强度达58 MPa，循环加载无应力软化，弹性回复好；PCL链长显著调控强度与韧性，5 kDa为最优平衡点。

3. DIW打印可行性高：调控共聚物分子量至12~17 kDa可获得稳定打印窗口，成功制备孔径250~300 μm的连通多孔支架，结构规整、孔隙率可调，力学性能匹配人松质骨。

4. 降解与生物相容：材料可在PBS中可控降解，3个月质量损失9%~23%；降解产物对骨髓基质细胞无明显毒性，符合ISO生物安全标准。

5. 应用价值：该可降解杂化材料与DIW 3D打印体系为定制化骨修复支架提供了新的材料与工艺路径，后续可开展体内成骨评价与长期安全性研究。

四、论文基本信息

英文标题：3D-printable biodegradable hybrids based on ABA-triblock copolymers synthesised by RAFT polymerisation

作者：Haffsah Iqbal, Athanasios Skandalis, David R. Sory, Yu-Chien Lin, Jingwen Liu, Sara M. Rankin, Theoni K. Georgiou, Julian R. Jones*

单位：英国帝国理工学院材料系；帝国理工学院心肺研究所；伦敦大学学院机械工程系

发表期刊：Materials Advances (Royal Society of Chemistry) 2026, 7, 9640–9658

DOI：10.1039/d6ma00802j